專利名稱：一種離子束磁控濺射兩步法制備微晶硅薄膜的方法和一種離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能電池用微晶硅薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及微晶硅薄膜的制備方法和裝置，也可以應(yīng)用到異質(zhì)襯底上沉積薄膜，提高薄膜粘接性能和結(jié)晶度的其他領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硅薄膜被視為薄膜太陽能電池的核心材料越來越引起人們的重視。目前制備的硅薄膜主要是以非晶態(tài)的形式存在，但非晶硅薄膜光伏電池存在轉(zhuǎn)換效率低和由S-W效應(yīng)引起的效率衰退等問題，微晶硅薄膜是一種納米硅晶粒鑲嵌在非晶網(wǎng)絡(luò)中的材料，具有較高電導(dǎo)率、較高遷移率的電學(xué)性質(zhì)及優(yōu)良的光學(xué)穩(wěn)定性，制備高晶化率的微晶硅薄膜可以有效克服非晶硅薄膜的不足，并且其制備技術(shù)與非晶硅薄膜完全相容，因此近年來越來越多的研究人員開展了微晶硅薄膜太陽能電池的研究工作。硅薄膜的結(jié)晶性能是制備高質(zhì)量微晶硅薄膜的一個重要參考指標(biāo)，直接影響硅薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。早期研究者主要采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)方法制備硅薄膜，Moonsang Kang等人采用ECR CVD方法在襯底溫度300°C，不同氫氣稀釋比(H2/ SiH4 = 0 9)條件下制備非晶娃薄膜(Moonsang Kang, Jaeyeong Kim, Yongseo Koo, et al. Characteristics of a_Si H films prepared by ECR CVD as a function of the H2/SiH4 [J]. Materials Chemistry and Physics, 1997 (51) :152-156)。國內(nèi)的王永興等人采用常壓CVD方法在450 520°C襯底溫度下制備氫化非晶硅薄膜(王永興，崔萬秋，何笑明，等.常壓CVD淀積非晶硅薄膜的研究[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1991，13 (3) :34-39)。 目前國內(nèi)外非晶硅薄膜太陽能電池普遍是采用CVD法來制備的，為了提高采用CVD法制備硅薄膜的晶化率，研究者主要從對沉積的非晶硅薄膜進行后處理熱退火和在基體上引入種子層這兩個方面著手。采用后處理熱退火工藝誘導(dǎo)晶化提高薄膜晶化率，通常是先在基體上制備處于亞穩(wěn)態(tài)的非晶硅薄膜，然后通過金屬誘導(dǎo)晶化(MIC)，快速熱退火(RTA)，固相晶化(SPC)，激光晶化退火(ELA)等技術(shù)將非晶硅轉(zhuǎn)化為多晶硅薄膜，目前這方面的報道較多。Ebil 0等人利用HWCVD方法固定襯底溫度430°C制備非晶硅薄膜，之后采用Al誘導(dǎo)娃薄膜晶化(Ebil 0, Aparicio R, Birkmire R. Aluminum-induced crystallization of amorphous silicon films deposited by hot wire chemical vapor deposition on glass substrates [J]. Thin Solid Films, 2010, 519 :178-183. )。Yuwen Zhao 等人首先米用PECVD法在襯底溫度400°C，H2/SiH4 = 3 10條件下，以0.65 1.23 A/s的沉積速率沉積非晶硅薄膜，之后利用脈沖快速熱退火法對樣品進行后處理，制備多晶硅薄膜。處理過程包括多個周期，每一個周期中，先預(yù)加熱到550°C維持60s，緊接著在850°C保溫ls，整個處理過程在幾分鐘內(nèi)完成晶化(Yuwen Zhao, Wenjing Wang,Feng Yun, etal. Polycrystalline silicon films prepared by improved pulsed rapid thermal annealing[J]. Solar Energy Materials&Solar Cells，2000，62 :143-148)。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所黃金英等申請了《制備微晶硅的方法》的專利(專利號CN1727526A)，利用紫外光輔助熱退火的方法將PECVD法制備的非晶硅薄膜誘導(dǎo)晶化。R. H. Buitrago等人采用 PECVD法在Schott AF-37玻璃襯底上于200 250°C條件下制備非晶硅薄膜，再采用固相晶化法退火處理，退火溫度 600-800°C,退火時間 24h (R. H. Buitrago, G. A. Risso, M. Cutrera, et al. Polycrystalline silicon thin film solar cells prepared by PECVD-SPC[J]. International Journal Of Hydrogen Energy, 2008, 33 :3522-3525)。但總的說來，對樣品的后處理一方面使得工藝流程復(fù)雜化，生產(chǎn)成本提高，另一方面，制備的薄膜在后處理過程中存在誘導(dǎo)金屬層處理不完全及其它雜質(zhì)污染等局限性。因此，一些研究者考慮在基體上先引入一層種子層，然后在此種子層表面進行鍍膜的工藝手段。北京行者多媒體科技有限公司的李沅民等公開了《微晶硅薄膜的形成方法》(專利號CN101237005A)，采用先在基板上形成一個含有晶核的引晶層，再用PECVD 方法形成非晶娃薄膜，最后在不小于500個大氣壓的高壓H2環(huán)境中維持3 10個小時制備氫化微晶娃薄膜Jung-Jie Huang等人公開了一種制備微晶娃薄膜的方法(專利號US2009/0029532A1),米用CVD方法沉積了一層微晶娃種子層,然后引入氣體離子轟擊種子層表面，再在轟擊的薄膜表面沉積微晶硅薄膜，處理工藝較簡單，晶化率提高了 7%。 Hsin-Yuan Mao等采用HWCVD方法在襯底溫度350°C，較高氫氣含量百分比(彡90% )條件下先沉積一層微晶硅種子層，隨后在較低氫氣含量百分比下繼續(xù)沉積硅薄膜，相比無種子層的情況，樣品晶化率獲得了一定的提高(Mao H-Y. Wuu D-S, Wu B-R, etal. Hot-wire chemical vapor deposition and characterization of polycrystalline silicon thin films using a two-step growth method[J]. Mater Chem Phys, 2011,126 :665-668.)?；瘜W(xué)氣相沉積幾乎不可避免地用到了以H2稀釋的SiH4氣體作為源氣體，SiH4是一種無色易燃有毒氣體，這就決定了使用時需配備有一套完整的尾氣處理輔助設(shè)備及系統(tǒng)，從而使制造成本大大提升，制備過程中也存在很大安全隱患。另外，熱絲化學(xué)氣相沉積制備的硅薄膜材料，金屬離子污染問題還沒解決。采用物理氣相沉積方法則無需使用SiH4等有毒氣體，如磁控濺射沉積薄膜具有“低溫”、“高速”兩大特點，且制備過程易控制，能實現(xiàn)大面積制膜。 為了提高硅薄膜的晶化率，南京航空航天大學(xué)沈鴻烈等人公開了《鋁誘導(dǎo)低溫制備大晶粒多晶硅薄膜的方法》(專利號CN 101665905A)，采用PVD方法在襯底上沉積非晶硅薄膜、繼續(xù)生成二氧化硅薄膜、再沉積鋁薄膜，得到襯底/a-Si/Si02/Al疊層，在惰性氣氛保護下于真空退火爐中退火，制備大晶粒多晶硅薄膜的方法。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所黃添懋等人提出采用磁控濺射方法在玻璃襯底上相繼沉積鋁薄膜、硅薄膜，硅薄膜沉積前，樣品暴露于空氣中一段時間，形成一層氧化層，制備出Glass/Al/Al203/a-Si結(jié)構(gòu),最后采用快速熱處理工藝制備多晶硅薄膜(專利號CN101740358A)。另外，日本A. Tabata等人提出采用射頻磁控派射方法，利用layer-by-layer工藝在較高的沉積速率(0. 2 0. 4nm/s)下提高娃薄膜晶化率，分別采用高氫氣含量百分比(93% )和低氫氣含量百分比(10% )的實驗條件交替沉積，達到了提高晶化率的目的(Tabata A, Okada K, Suzuoki Y. etal. Control of crystallinity and deposition rate of hydrogenated microcrystalline silicon thin films prepared by radio frequency magnetron sputtering using layer-by-layer growth[J], Thin Solid Films，2005，491 :148-152.)。本發(fā)明與以上現(xiàn)有工藝不同，提供了一種制備微晶硅薄膜的新方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種制備高晶化率、 與襯底粘結(jié)牢固的微晶硅薄膜的方法，它采用離子束技術(shù)在襯底表面預(yù)沉積硅同質(zhì)過渡層，再采用磁控濺射沉積的方法制備微晶硅薄膜，通過同質(zhì)過渡層對異質(zhì)材料襯底表面進行改性并控制表面粗糙度以誘導(dǎo)硅薄膜晶化，實現(xiàn)了原位晶化，該過程可在同一真空室內(nèi)完成；同時在有效減小薄膜與基體間內(nèi)應(yīng)力，增加薄膜與基體間的結(jié)合強度的基礎(chǔ)上，充分提聞了薄I旲的晶化率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案之一是一種離子束磁控濺射兩步法制備微晶硅薄膜的方法，包括以下步驟(I)離子束鍍膜離子束鍍膜用離子束濺射沉積(IBS)或離子束輔助沉積 (IBAD)方法在襯底上濺射硅靶預(yù)沉積一層硅同質(zhì)過渡層，所述硅同質(zhì)過渡層厚度為 50nm 200nm ;離子束濺射沉積(IBS)是指用離子束濺射硅靶材沉積硅薄膜的方法，離子束輔助沉積(IBAD)是指用離子束濺射沉積硅薄膜的同時，用中能離子束對硅薄膜進行輔助轟擊的方法；(2)磁控濺射鍍膜采用磁控濺射在所述硅同質(zhì)過渡層上沉積硅薄膜具體控制參數(shù)為襯底溫度為300°C 500°C，氫氣體積濃度50% 95%，濺射工作氣壓0. 5Pa IOPa0步驟(I)中所述離子束為能量為I. OkeV 3. 5keV，束流為20mA 80mA的離子束；所述中能離子束為能量為IOkeV 50keV，束流為2mA 8mA的中能離子束。步驟⑴中所述的襯底的材料為玻璃或鐵。步驟⑴和⑵中所述硅靶的材料包括多晶硅和單晶硅。步驟(2)中所述磁控濺射包括脈沖、射頻或中頻磁控濺射。步驟(I)和步驟(2)在同一真空室中進行，即首先在離子束鍍膜工位采用離子束鍍膜，然后在不破壞真空的情況下將所鍍膜樣品通過樣品臺旋轉(zhuǎn)至磁控濺射鍍膜工位進行磁控濺射鍍膜。該方法可以通過一種離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜的裝置來實現(xiàn)。本發(fā)明的技術(shù)方案之二是一種離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜的裝置，該裝置可以用于實現(xiàn)技術(shù)方案一的方法， 正視圖如圖10(帶局剖)所示，側(cè)視圖如圖11(帶局剖)所示，具體為一個真空室，真空室頂部設(shè)置有通向真空室內(nèi)的中能注入離子源，真空室左右兩個側(cè)壁上各設(shè)置有一個通向真空室內(nèi)的濺射離子源，真空室后壁上方設(shè)置有一個通向真空室內(nèi)的低能輔助離子源，真空室后壁下方設(shè)置有兩個與分子泵連通的抽氣管；真空室內(nèi)設(shè)置有樣品臺，樣品臺通過轉(zhuǎn)軸與真空室的底部連接；樣品臺上方設(shè)有兩個左右對稱布置的磁控濺射靶頭，磁控濺射靶頭通過磁控濺射支架與真空室的頂部連接；磁控濺射靶頭上方設(shè)有兩個左右對稱布置的離子束轉(zhuǎn)靶。所述樣品臺的圓周上均勻分布有六個小樣品臺，離子束鍍膜工位(B)和磁控濺射鍍膜工位(A1、A2)位于樣品臺的圓周上，通過樣品臺公轉(zhuǎn)可將樣品臺上某個小樣品臺與鍍膜工位(A1、A2或B)相重合,如圖12所示。下面對本發(fā)明做進一步解釋和說明
本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)是改變傳統(tǒng)的直接在基體上采用物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積法沉積Si薄膜，通過在基體上采用離子束技術(shù)引入一層致密的Si同質(zhì)過渡層，其目的是在提高薄膜與基體粘接性能的前提下，將異質(zhì)襯底表面進行改性處理，并控制襯底表面粗糙度，其過渡層厚度為50nm 200nm，可使玻璃襯底表面粗糙度從0. 3nm提高到19. 3nm，將 Fe襯底表面粗糙度從235. 7nm降至53. 6nm，利用上述具有優(yōu)化的表面形貌的致密Si薄膜誘導(dǎo)后沉積的薄膜晶化，改善薄膜的微觀組織結(jié)構(gòu)，提高Si薄膜質(zhì)量。本發(fā)明所述的一種離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜的裝置，用于實現(xiàn)上述工藝，它包括 一臺用于清洗和輔助轟擊的低能離子源，兩臺用于濺射的離子源，一臺用于垂直轟擊的中能離子源；兩個磁控濺射靶；一個包含水冷和加熱的能公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的六工位樣品臺，其結(jié)構(gòu)圖示意圖如圖12所示。兩臺濺射離子源呈對稱布置，可以實現(xiàn)單源單靶濺射，也可以實現(xiàn)雙源雙靶聚焦共沉積。兩個磁控濺射靶，可以通過調(diào)節(jié)靶頭偏轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)垂直濺射，也可以實現(xiàn)雙靶聚焦共濺射沉積。離子束鍍膜與磁控濺射鍍膜不同時進行，其復(fù)合鍍膜通過樣品臺公轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，即首先在離子束鍍膜工位采用離子束鍍膜，然后在不破壞真空的情況下將所鍍膜樣品通過樣品臺旋轉(zhuǎn)至磁控濺射鍍膜工位進行磁控濺射鍍膜。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于(I)本發(fā)明采用磁控濺射方法沉積，無需使用SiH4等有毒氣體及配備一套完整的尾氣處理輔助設(shè)備及系統(tǒng)，從而使制造成本大大降低。(2)由于離子束濺射粒子具有比磁控濺射粒子更高能量，特別是采用20keV以上的中能Ar+離子束輔助轟擊，具有注入效應(yīng)，沉積的過渡層與襯底結(jié)合緊密，從而明顯增加薄膜與基體間的結(jié)合強度。(3)相比于直接在基體上采用磁控濺射方法沉積硅薄膜，通過本發(fā)明沉積的微晶硅薄膜，其晶化率明顯提高。(4)離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜的裝置將磁控濺射和離子束技術(shù)有機地結(jié)合在一起，磁控濺射靶頭可調(diào)節(jié)角度，并配備直流、射頻、脈沖等多種電源，樣品臺可公轉(zhuǎn)掃描，經(jīng)過單獨或組合完成多種方式鍍膜，既可鍍單質(zhì)、合金和化合物膜，又可鍍多層膜，實現(xiàn)了設(shè)備“多功能化”。(5)離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜的裝置配置有濺射、低能清洗和中能轟擊離子源， 并與磁控濺射靶集成在同一個真空室中，盡管兩者不能同時工作，但通過樣品臺掃描可在不破壞真空的情況下實現(xiàn)離子束和磁控濺射的復(fù)合鍍膜，充分發(fā)揮離子束表面改性功能且鍍膜粘結(jié)牢固和磁控濺射鍍膜速率快的優(yōu)勢，將沉積硅薄膜的兩步工藝在同一真空室中進行，工藝操作簡單，極大地降低了設(shè)備成本。


圖I是拉曼光譜的分峰擬合圖；圖2是70%氫氣體積濃度下制備樣品的XRD圖；圖3是70 %氫氣體積濃度下制備樣品的Raman圖4是80%氫氣體積濃度下制備樣品的XRD圖5是80%氫氣體積濃度下制備樣品的Raman圖6是90%氫氣體積濃度下制備樣品的XRD ；
圖7是90%氫氣體積濃度下制備樣品的Raman圖8是160W條件下引入過渡層制備樣品的XRD圖9是IOPa氣壓條件下制備樣品的Raman圖10是本發(fā)明所述離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜的裝置正視圖(帶局剖);
圖11是本發(fā)明所述離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜的裝置側(cè)視圖(帶局剖)；
圖12是鍍膜工位示意其中，I為真空室，2為中能注入離子源，3為低能輔助離子源，4為磁控濺射支架，
5為磁控濺射靶頭，6為離子束轉(zhuǎn)靶，7為濺射離子源，8為樣品臺，9為轉(zhuǎn)軸，10為抽氣管，Al 和A2為磁控濺射鍍膜工位，B為離子束鍍膜工位。
具體實施例方式下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明進一步的解釋和說明。實施例I :一種離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜的裝置，如圖10、圖11所示，具體為一個真空室
(I)，真空室頂部設(shè)置有通向真空室內(nèi)的中能注入離子源(2)，真空室左右兩個側(cè)壁上各設(shè)置有一個通向真空室內(nèi)的濺射離子源(7)，真空室后壁上方設(shè)置有一個通向真空室內(nèi)的低能輔助離子源(3)，真空室后壁下方設(shè)置有兩個與分子泵連通的抽氣管(10);真空室內(nèi)設(shè)置有樣品臺(8)，樣品臺(8)通過轉(zhuǎn)軸(9)與真空室的底部連接；樣品臺(8)上方設(shè)有兩個左右對稱布置的磁控濺射靶頭(5)，磁控濺射靶頭(5)通過磁控濺射支架(4)與真空室的頂部連接；磁控濺射靶頭(5)上方設(shè)有兩個左右對稱布置的離子束轉(zhuǎn)靶(6)。所述樣品臺(8)的圓周上均勻分布有六個小樣品臺，離子束鍍膜工位(B)和磁控濺射鍍膜工位(A1、A2)位于樣品臺的圓周上，通過樣品臺公轉(zhuǎn)可將樣品臺上某個小樣品臺與鍍膜工位(A1、A2或B)相重合,如圖12所示。實施例2 用實施例I所述的裝置實現(xiàn)本發(fā)明的一種離子束磁控濺射兩步法制備微晶硅薄膜的方法 脈沖磁控濺射沉積微晶硅薄膜，靶材為多晶硅，本底真空< I X IO-4Pa,氫氣體積濃度為70%。采用普通載玻片為基體，依次經(jīng)丙酮、酒精超聲清洗，烘干后裝入離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜設(shè)備真空室內(nèi)的樣品臺上，鍍膜前用低能離子束轟擊清洗其表面15min。然后采用離子束輔助沉積硅同質(zhì)過渡層，厚度為68nm，即在用能量為2. 5keV的Ar+離子束濺射多晶 Si靶的同時，用另一束能量為30keV的Ar+離子束進行輔助轟擊。沉積過渡層后，在不破壞真空的情況下，將樣品臺通過旋轉(zhuǎn)裝置從離子束鍍膜工位轉(zhuǎn)到磁控濺射鍍膜工位，采用脈沖磁控濺射沉積Si薄膜，磁控濺射鍍膜工藝為襯底溫度為300°C，濺射工作氣壓4Pa，功率 180W，脈沖頻率28kHz，占空比60%。采用X射線衍射儀和激光共焦拉曼光譜儀(激光光源為氦氖激光器，波長633nm)進行樣品的結(jié)晶性能分析。附圖2是硅薄膜XRD圖譜，附圖3是硅薄膜的拉曼圖譜，由圖2、 3可知，未引入同質(zhì)過渡層沉積的硅薄膜完全呈非晶態(tài)，在Raman譜的480CHT1處出現(xiàn)典型峰包；而引入同質(zhì)過渡層后，硅薄膜的XRD和Raman峰型明顯變尖銳，半高寬變窄，由謝樂公式可知晶粒尺寸存在增大趨勢，說明硅薄膜已部分晶化。對拉曼光譜進行分峰擬合(見圖 I)，并運用公式
/510 + /520Xe =-
/480 + /5IO+ /52O其中I48Q、I51Q、I52tl分別表示峰位在480,510,520011-1處的三個高斯峰的積分強度， 利用此公式計算晶化率為32. 3%，沉積速率為0. 69nm/s。實施例3 用實施例I所述的裝置實現(xiàn)本發(fā)明的一種離子束磁控濺射兩步法制備微晶硅薄膜的方法脈沖磁控濺射沉積微晶硅薄膜，靶材為多晶硅，本底真空< I X 10_4Pa，氫氣體積濃度為80%。采用普通載玻片為基體，依次經(jīng)丙酮、酒精超聲清洗，烘干后裝入離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜設(shè)備真空室內(nèi)的樣品臺上，鍍膜前用低能離子束轟擊清洗其表面15min。然后采用
3.5keV的Ar+離子束濺射多晶Si靶沉積硅同質(zhì)過渡層，厚度為117nm。沉積過渡層后，在不破壞真空的情況下，將樣品臺通過旋轉(zhuǎn)裝置從離子束鍍膜工位轉(zhuǎn)到磁控濺射鍍膜工位，采用脈沖磁控濺射沉積Si薄膜，磁控濺射鍍膜工藝為襯底溫度為400°C，濺射工作氣壓4Pa， 功率180W脈沖頻率28kHz，占空比60%。采用X射線衍射儀和激光共焦拉曼光譜儀(激光光源為氦氖激光器，波長633nm) 進行樣品的結(jié)晶性能分析。附圖4是硅薄膜XRD圖譜，附圖5是硅薄膜的拉曼圖譜，由圖
4、5可知，引入同質(zhì)過渡層可顯著提高硅薄膜的結(jié)晶度，其晶化率從未引入同質(zhì)過渡層的 20. 0%提高到42. 1%，沉積速率為0. 52nm/s。實施例4:用實施例I所述的裝置實現(xiàn)本發(fā)明的一種離子束磁控濺射兩步法制備微晶硅薄膜的方法脈沖磁控濺射沉積微晶硅薄膜，靶材為多晶硅，本底真空(I X 10_4Pa，氫氣體積濃度為90%。采用普通載玻片為基體，依次經(jīng)丙酮、酒精超聲清洗，烘干后裝入離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜設(shè)備真空室內(nèi)的樣品臺上，鍍膜前用低能離子束轟擊清洗其表面15min。然后采用離子束輔助沉積硅同質(zhì)過渡層，厚度為72nm，即在用能量為2. 5keV的Ar+離子束濺射多晶 Si靶的同時，用另一束能量為40keV的Ar+離子束進行輔助轟擊。沉積過渡層后，在不破壞真空的情況下，將樣品臺通過旋轉(zhuǎn)裝置從離子束鍍膜工位轉(zhuǎn)到磁控濺射鍍膜工位，采用脈沖磁控濺射沉積Si薄膜，磁控濺射鍍膜工藝為襯底溫度為400°C，濺射工作氣壓4Pa，功率 180W脈沖頻率28kHz,占空比60%。采用X射線衍射儀和激光共焦拉曼光譜儀(激光光源為氦氖激光器，波長633nm) 進行樣品的結(jié)晶性能分析。附圖6是硅薄膜XRD圖譜，附圖7是硅薄膜的拉曼圖譜，由圖
6、7可知，引入同質(zhì)過渡層可顯著提高硅薄膜的結(jié)晶度，其晶化率從未引入同質(zhì)過渡層的35. 7%提高到72. 2%，沉積速率為0. 35nm/s。實施例5 用實施例I所述的裝置實現(xiàn)本發(fā)明的一種離子束磁控濺射兩步法制備微晶硅薄膜的方法射頻磁控濺射沉積微晶硅薄膜，靶材為單晶硅，本底真空< I X IO-4Pa,氫氣體積濃度為90%。采用鐵片為基體，依次經(jīng)丙酮、酒精超聲清洗，烘干后裝入離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜設(shè)備真空室內(nèi)的樣品臺上，鍍膜前用低能離子束轟擊清洗其表面15min。然后采用離子束輔助沉積硅同質(zhì)過渡層，厚度為150nm，即在用能量為3keV的Ar+離子束濺射單晶Si靶的同時，用另一束能量為50keV的Ar+離子束進行輔助轟擊。沉積過渡層后，在不破壞真空的情況下，將樣品臺通過旋轉(zhuǎn)裝置從離子束鍍膜工位轉(zhuǎn)到磁控濺射鍍膜工位，采用脈沖磁控濺射沉積Si薄膜，磁控濺射鍍膜工藝為襯底溫度為400°C，濺射功率160W，工作氣壓4Pa， 脈沖頻率28kHz，占空比60%。采用X射線衍射儀進行樣品的結(jié)晶性能分析。附圖8是鐵襯底上引入過渡層后沉積硅薄膜的XRD圖譜，由圖8可知，XRD圖譜中出現(xiàn)了較強的硅的(111)、(220)和(311)晶面衍射峰，表明樣品具有良好的晶化。實施例6:用實施例I所述的裝置實現(xiàn)本發(fā)明的一種離子束磁控濺射兩步法制備微晶硅薄膜的方法脈沖磁控濺射沉積微晶硅薄膜，靶材為多晶硅，本底真空< I X 10_4Pa，氫氣體積濃度為80%。采用普通載玻片為基體，依次經(jīng)丙酮、酒精超聲清洗，烘干后裝入離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜設(shè)備真空室內(nèi)的樣品臺上，鍍膜前用低能離子束轟擊清洗其表面15min。然后采用離子束輔助沉積硅同質(zhì)過渡層，厚度為120nm，即在用能量為2keV的Ar+離子束濺射多晶 Si靶的同時，用另一束能量為20keV的Ar+離子束進行輔助轟擊。沉積過渡層后，在不破壞真空的情況下，將樣品臺通過旋轉(zhuǎn)裝置從離子束鍍膜工位轉(zhuǎn)到磁控濺射鍍膜工位，采用脈沖磁控濺射沉積Si薄膜，磁控濺射鍍膜工藝為襯底溫度為300°C，濺射功率180W，工作氣壓10Pa，脈沖頻率28kHz,占空比60%。采用激光共焦拉曼光譜儀進行樣品的結(jié)晶性能分析。附圖9是沉積硅薄膜的 Raman圖譜，由圖9可知，未引入過渡層的硅薄膜為典型的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，通過引入過渡層，拉曼譜峰在高波數(shù)(510 520CHT1)出現(xiàn)一個峰，計算樣品晶化率為24. 8%。
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權(quán)利要求
1.一種離子束磁控濺射兩步法制備微晶硅薄膜的方法，其特征是，包括以下步驟 (1)離子束鍍膜用離子束濺射沉積或離子束輔助沉積方法在襯底上濺射硅靶預(yù)沉積一層硅同質(zhì)過渡層，所述硅同質(zhì)過渡層厚度為50nm 200nm ;離子束濺射沉積是指用離子束濺射硅靶材沉積硅薄膜的方法，離子束輔助沉積是指用離子束濺射沉積硅薄膜的同時，用中能離子束對硅薄膜進行輔助轟擊的方法； (2)磁控濺射鍍膜采用磁控濺射在所述硅同質(zhì)過渡層上沉積硅薄膜具體控制參數(shù)為襯底溫度為300°C 500°C，氫氣體積濃度50% 95%，濺射工作氣壓O. 5Pa lOPa。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述離子束磁控濺射兩步法制備微晶硅薄膜的方法，其特征是，步驟(I)中所述離子束為能量為I. OkeV 3. 5keV，束流為20mA 80mA的離子束；所述中能離子束為能量為IOkeV 50keV，束流為2mA 8mA的中能離子束。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述離子束磁控濺射兩步法制備微晶硅薄膜的方法，其特征是，步驟(I)中所述的襯底的材料為玻璃或鐵。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述離子束磁控濺射兩步法制備微晶硅薄膜的方法，其特征是，步驟(I)和(2)中所述硅靶的材料包括多晶硅和單晶硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述離子束磁控濺射兩步法制備微晶硅薄膜的方法，其特征是，步驟(2)中所述磁控濺射包括脈沖、射頻或中頻磁控濺射。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述離子束磁控濺射兩步法制備微晶硅薄膜的方法，其特征是，步驟(I)和步驟(2)在同一真空室中進行，即首先在離子束鍍膜工位采用離子束鍍膜，然后在不破壞真空的情況下將所鍍膜樣品通過樣品臺旋轉(zhuǎn)至磁控濺射鍍膜工位進行磁控濺射鍍膜。
7.一種離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜的裝置，其特征是，具體為一個真空室(1)，真空室頂部設(shè)置有通向真空室內(nèi)的中能注入離子源(2)，真空室左右兩個側(cè)壁上各設(shè)置有一個通向真空室內(nèi)的濺射離子源(7)，真空室后壁上方設(shè)置有一個通向真空室內(nèi)的低能輔助離子源(3)，真空室后壁下方設(shè)置有兩個與分子泵連通的抽氣管(10);真空室內(nèi)設(shè)置有樣品臺(8)，樣品臺(8)通過轉(zhuǎn)軸(9)與真空室的底部連接；樣品臺(8)上方設(shè)有兩個左右對稱布置的磁控濺射靶頭(5)，磁控濺射靶頭(5)通過磁控濺射支架(4)與真空室的頂部連接；磁控濺射靶頭(5)上方設(shè)有兩個左右對稱布置的離子束轉(zhuǎn)靶(6)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征是，所述樣品臺(8)的圓周上均勻分布有六個小樣品臺，離子束鍍膜工位(B)和磁控濺射鍍膜工位(A1、A2)位于樣品臺的圓周上，通過樣品臺公轉(zhuǎn)可將樣品臺上某個小樣品臺與鍍膜工位(A1、A2或B)相重合。
全文摘要
本發(fā)明屬于太陽能電池用微晶硅薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種離子束磁控濺射兩步法制備微晶硅薄膜的方法和一種離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜的裝置。該方法包括以下步驟(1)離子束鍍膜用離子束濺射沉積(IBS)或離子束輔助沉積(IBAD)方法在襯底上濺射硅靶預(yù)沉積一層硅同質(zhì)過渡層，所述硅同質(zhì)過渡層厚度為50nm～200nm；(2)磁控濺射鍍膜采用磁控濺射在所述硅同質(zhì)過渡層上沉積硅薄膜。該方法可充分提高微晶硅薄膜的晶化率；同時可有效減小薄膜與基體間內(nèi)應(yīng)力，增加薄膜與基體間的結(jié)合強度；該方法通過離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜的裝置實現(xiàn)，在同一真空室內(nèi)完成，節(jié)約設(shè)備成本。
文檔編號C23C14/46GK102605335SQ20121009439
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者周靈平, 彭坤, 朱家俊, 李德意, 李紹祿, 梁鳳敏 申請人:湖南大學(xué)